五軸聯(lián)動雕銑機床電主軸模態(tài)探討

五軸聯(lián)動雕銑機床電主軸模態(tài)探討五軸聯(lián)動雕銑機床電主軸模態(tài)探討 2018/08/09 摘要：電主軸是高速機床的關(guān)鍵部件。應(yīng)用多參考點最小二乘復(fù)頻域法對五軸聯(lián)動雕銑機床電主軸進行模態(tài)分析，通過對比計算模態(tài)與試驗?zāi)B(tài)，驗證有限元模型的合理性，為電主軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供理論支持。關(guān)鍵詞：機床；電主軸；模態(tài)分析；多參考點最小二乘復(fù)頻域1研究背景主軸系統(tǒng)是高速機床的關(guān)鍵部件，對機床的加工精度和穩(wěn)定性起決定性作用。筆者研究的五軸聯(lián)動雕銑機床，采用內(nèi)裝式主軸電機一體化的主軸單元，即內(nèi)裝式電機主軸，簡稱電主軸1。該機床主要應(yīng)用于小刀具精密加工領(lǐng)域，主軸轉(zhuǎn)速可達24000r/min。當主軸以超高速運轉(zhuǎn)進行實際切削加工時，容易引發(fā)整個系統(tǒng)共振，加劇刀具磨損或破損，增大機床導(dǎo)軌的動態(tài)載荷，從而降低整機壽命，且無法保持機床的精度2。同時，動態(tài)切削力也會引起機床的受迫振動，從而影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。因此，對電主軸結(jié)構(gòu)進行動力學分析是非常必要的，模態(tài)分析法就是一種非常有效的動力學分析方法。筆者利用模態(tài)參數(shù)識別的新技術(shù)多參考點最小二乘復(fù)頻域（PolyMAX）法對五軸聯(lián)動雕銑機床電主軸進行模態(tài)試驗與分析，研究其動力學特征，將試驗結(jié)果和有限元模態(tài)分析結(jié)果進行比較，驗證有限元模型的有效性，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。2試驗?zāi)Ｐ秃蜏y點配置模態(tài)試驗與分析時，通過激勵設(shè)備對機械結(jié)構(gòu)進行激振，測量系統(tǒng)的激勵和振動響應(yīng)信號，處理相關(guān)數(shù)據(jù)，擬合曲線，識別參數(shù)，計算出決定結(jié)構(gòu)動力學特征的模態(tài)參數(shù)，包括模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼比、模態(tài)振型、模態(tài)參與因子、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼矩陣3。模態(tài)參數(shù)能夠直觀、準確地反映系統(tǒng)的動態(tài)特性，具有簡明、直觀和物理概念清晰等優(yōu)點，因此常用于結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析。筆者在所測電主軸上布置了20個測點，主要根據(jù)電主軸系統(tǒng)振型圖中的振動方向和振動薄弱環(huán)節(jié)來確定測點位置4。3電主軸模態(tài)試驗與分析采用LMS振動、噪聲、模態(tài)測試系統(tǒng)，傳感器采用PCB三向加速度傳感器，力錘采用與之配套的PCB力錘。試驗時采用錘擊法單點激振，利用多個頻響函數(shù)作整體曲線擬合。支承方式為采用布帶將主軸懸掛起來，使主軸處于自由狀態(tài)，這可近似作為一種最佳支承方式，避免環(huán)境振動和支承剛度對測試的影響，重復(fù)性好。分析軟件采用LMSTest.Lab中的ModalAnalysis與ModalImpact模塊。在建立好試驗裝置后，進行數(shù)據(jù)采集，并完成數(shù)據(jù)處理工作。考慮到隨機誤差，對每個測試點分別敲擊五次，對測量數(shù)據(jù)作線性平均處理，盡量減小誤差，以得到更為準確的頻響函數(shù)。4結(jié)論采用PolyMAX法對電主軸進行了模態(tài)試驗與分析，得到了03200Hz頻段內(nèi)的固有頻率及振型，并與對應(yīng)的ANSYS模態(tài)分析結(jié)果進行誤差比較，得出理論和試驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果基本吻合，驗證了有限元模型的正確性。通過對電主軸進行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)主軸一階固有頻率約為211Hz，即在該頻率附近會引發(fā)主軸系統(tǒng)共振，對應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速為12680r/min，機床工作時應(yīng)盡量避免涉及該轉(zhuǎn)速。從模態(tài)振型圖來看，共振時最大響應(yīng)出現(xiàn)在主軸后端，容易引起結(jié)構(gòu)磨損。這說明電主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還不太合理，進行需要改進。參考文獻1吳成軍.工程振動與控制M.西安：西安交通大學出版社，2008.2胡愛玲.高速電主軸動靜態(tài)特性的有限元分析D.廣州：廣東工業(yè)大學，2004.3黃建建，馬平，陳愛民，等.基于PolyMAX方法的加工中心工作臺計算模態(tài)與實驗?zāi)B(tài)對比分析J.機床與液壓，2010，38（23）：91-96.4魏秀業(yè)，潘宏俠，黃晉英.基于模態(tài)測試與分析的齒輪箱測點優(yōu)化J.應(yīng)用科技，2010，37（6）：1-4.6張海杰，徐海利，王廣輝，等.高速電主軸的模態(tài)分析J.機械制造，2013，51（4）：8-9.7劉馥清，安宏偉.多參考最小二乘復(fù)頻域（PolyMAX）法在汽車輪胎及車身模態(tài)參數(shù)識別中的應(yīng)用C2006LMS首屆中國用戶大會，蘇州，2006.8羅生梅，王曉龍.基于ANSYS的數(shù)控鏜銑床主軸箱模態(tài)分析及拓撲優(yōu)化J.機械制造，2016，54（10）：37-39.9陸秋海，李德葆.工程振動試驗分析M.2版.北京：清華大學出版社，2015.10李青霞，任焱晞，安宏偉.PolyMAX方法在橋梁工作模態(tài)分析中的應(yīng)用J.新技術(shù)新工藝，2008（7）：21-23.11周云，易偉建.用PolyMAX方法進行彈性地基板的實驗?zāi)B(tài)分析J.振動與沖擊，2007，26（7）：139-144，187.